Python, Java, C++の速度比較

#Python, Java, C++の速度比較

### はじめに

私はもともとPythonをメインに勉強してきたのですが、今週からJavaとC++の勉強を始めたので、実行速度の比較をしてみることにしました。

AtCoderから計算量の多いDPの問題を選んで、ほぼ同一のアルゴリズムで提出してみました。

### 問題1

[Educational DP Contest / DP まとめコンテスト L問題 - Deque](https://atcoder.jp/contests/dp/tasks/dp_l)

### Python

```Python:DP.py
n = int(input())
a = list(map(int, input().split()))
dp = [[0] * n for _ in range(n)]
for i in range(n):
    dp[i][i] = a[i]

for i in range(n - 2, -1, -1):
    for j in range(i + 1, n):
        dp[i][j] = max(a[i] - dp[i + 1][j], a[j] - dp[i][j - 1])

print(dp[0][n - 1])
```

実行速度：<B><font color="#ec971f">TLE</font></B>

シンプルに解けていますがPythonではなんと制限時間オーバーで間に合わず、ACになりません。

### PyPy

```Python:DP.py
n = int(input())
a = list(map(int, input().split()))
dp = [[0] * n for _ in range(n)]
for i in range(n):
    dp[i][i] = a[i]

for i in range(n - 2, -1, -1):
    for j in range(i + 1, n):
        dp[i][j] = max(a[i] - dp[i + 1][j], a[j] - dp[i][j - 1])

print(dp[0][n - 1])
```

実行速度：<font color="#449d44"><B>324ms</B></font>

まったく同じコードですが、PyPyで提出すれば通ります。競技プログラミングでPythonで戦うにはPyPyやNumPyをうまく使う必要があります。

### Java

```Main.java
import java.util.*;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        int n = sc.nextInt();
        long[] a = new long[n];
        for (int i=0; i<n; i++) {
            a[i] = sc.nextInt();
        }

        long[][] dp = new long[n][n];
        for (int i=0; i<n; i++) {
            dp[i][i] = a[i];
        }

        for (int i = n - 2; i > -1; i--) {
            for (int j = i + 1; j < n; j++) {
                dp[i][j] = Math.max(a[i] - dp[i + 1][j], a[j] - dp[i][j - 1]);
            }
        }
        System.out.println(dp[0][n - 1]);
    }
}
```

実行速度：<font color="#449d44"><B>258ms</B></font>

やっていることは同じですが、Pythonよりもコードがずいぶん長くなりますね。速度はPyPyと同じくらいでしょうか。


### C++

```main.cpp
#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
#define rep(i, n) for (int i = 0; i < n; ++i)

int main() {
  int n; cin >> n;
  vector<long long> a(n);
  rep(i, n) cin >> a[i];

  long long dp[n][n];
  rep(i, n) dp[i][i] = a[i];

  for (int i = n - 2; i > -1; --i) {
    for (int j = i + 1; j < n; ++j) {
      dp[i][j] = max(a[i] - dp[i + 1][j], a[j] - dp[i][j - 1]);
    }
  }
  cout << dp[0][n - 1] << endl;
}
```

実行速度：<font color="#449d44"><B>31ms</B></font>

<B>なにこの速度おかしくないですか…</B>

### 問題2

[Educational DP Contest / DP まとめコンテスト B問題 - Frog2](https://atcoder.jp/contests/dp/tasks/dp_b)

### Python

```Python:DP.py
n, k = [int(i) for i in input().split()]
h = [int(i) for i in input().split()]
dp = [float('inf')] * n
dp[0] = 0

for i in range(1, n):
    for j in range(max(i - k, 0), i):
        dp[i] = min(dp[i], dp[j] + abs(h[i] - h[j]))

print(dp[n - 1])
```

実行速度：<B><font color="#ec971f">TLE</font></B>

Pythonはコードが短くていいですね。と思いきや、またもTLEです。

### PyPy

```Python:DP.py
n, k = [int(i) for i in input().split()]
h = [int(i) for i in input().split()]
dp = [float('inf')] * n
dp[0] = 0

for i in range(1, n):
    for j in range(max(i - k, 0), i):
        dp[i] = min(dp[i], dp[j] + abs(h[i] - h[j]))

print(dp[n - 1])
```

実行速度：<font color="#449d44"><B>408ms</B></font>

PyPyで同一のコードを提出してACになりました。

### Java

```Main.java
import java.util.*;
 
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        int n = sc.nextInt();
        int k = sc.nextInt();
        int[] heights = new int[n];
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            heights[i] = sc.nextInt();
        }
 
        int[] dp = new int[n];
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            dp[i] = Integer.MAX_VALUE;
        }
        dp[0] = 0;
 
        for (int i = 1; i < n; i++) {
            for (int j=Math.max(i - k, 0); j < i; j++) {
                dp[i] = Math.min(dp[i], dp[j] + Math.abs(heights[i] - heights[j]));
            }
        }
        System.out.println(dp[n - 1]);
    }
}
```

実行速度：<font color="#449d44"><B>449ms</B></font>

問題1はJavaの方が早かったですが、問題2ではPyPyの方が早い結果になりました。やはり速度はほぼ同等でしょうか。

### C++

```main.cpp
#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
#define rep(i, n) for (int i = 0; i < n; ++i)
 
int main() {
  int n, k;
  cin >> n >> k;
  vector<int> h(n), dp(n);
  rep(i, n) cin >> h[i];
  rep(i, n) dp[i] = 999999999;
  dp[0] = 0;
 
  for (int i = 1; i < n; ++i) {
    for (int j = max(i - k, 0); j < i; ++j) {
      dp[i] = min(dp[i], dp[j] + abs(h[i] - h[j]));
    }
  }
  cout << dp[n - 1] << endl;
}
```

実行速度：<font color="#449d44"><B>56ms</B></font>

尋常ではない実行速度です。他より10倍くらい高速ですね。

### まとめ

問題1
![自分の提出](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/393886/ce8e8249-fae0-63e0-ed19-70320415ad42.png)

問題2
![自分の提出](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/393886/4fc67de8-b106-30e2-51c3-7c1faf45d2b8.png)

Pythonは遅いけどPyPyやNumPyを使えば戦えると思います。
JavaはPyPyと同じくらいの速度のようです。
<B>C++の速度は異常</B>。